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塔河油田稠油井电泵开采技术 [ 10-07-05 112300 ]作者李荣强编辑studa20 摘要稠油是塔河油田油藏的最大特性,目前塔河油田的机械采油工艺以有杆泵采油工艺和电动潜油离心泵采油工艺为主,其中电泵采油工艺以其深抽、大排量、管理方便等特点成为越来越为重要的机采工艺和发展方向。 该文从粘度对离心泵特性影响的研究开始,系统地提出了提出了稠油井电泵开采技术一是提出了对电泵本身进行技术改造措施,二是研究并提出了相关配套工艺,三是对电泵深抽3500m-4200m提出了相应技术改进的研究。对于丰富和提高塔河油田的稠油开采工艺都有很重要的必要性。 关键词塔河油田;稠油;电泵;本身结构;配套工艺;深抽 第1章 稠油对潜油电泵影响 1.稠油对潜油电泵影响 粘度的影响主要表现为离心泵的性能下降;潜油电机启动困难;管线粘滞阻力急剧增加。潜油电泵在开机时,启动电流是额定电流值的3-7倍。由于开机时井液较正常生产过程中时的井温要低,稠油井原油粘度相对更大,机组所需要的启动转矩相对更大。在全压起动时,由于加速度的加大,很容易造成电机轴发生扭断现象。配备电机功率时,除按校正后的离心泵性能指标和油管摩阻匹配电机外,在全压起动时,要额外增加一定的电机功率余量,避免启动不起来或者轴发生扭断现象。因此受稠油粘度的影响,较常规油井,稠油井选择潜油电泵机组的主要区别在于1离心泵的性能指标,包括输送稠油时的流量、需要配备的离心泵级数。2潜油电机功率。 2.稠油垂直管流摩擦阻力计算 根据流体力学知,石油以及与水形成的乳化液属于非牛顿流体,流动性表现为极差,如油脂、油漆、牙膏、泥浆等。剪应力和剪切变形速率之间不满足线性关系。所引起的粘滞阻力损失远远大于牛顿型流体。另外,从油层开始,贯穿于原油的采集过程之中。在离心泵的强烈搅拌作用下,形成W/O型乳状夜,粘度要比纯油的粘度高的多,并且随温度变化十分敏感。管线阻力的计算变得就更为复杂和不准确。管内的粘滞阻力损失计算一般要依据不同地区、不同油品等多种条件由室内试验获得其内在规律。 高粘度流体流动时摩擦阻力较大,研究稠油属于哪种类型的流体,其流动遵循哪种流动规律。由于粘度值受温度影响变化大,要研究油管内的垂向温度场。找出粘度在井筒自下而上的变化规律,最后计算垂直管流的摩擦阻力。常规油井计算得到的油井所需泵送压头,加上稠油井增加的摩擦阻力,得到稠油井所需泵送压头,从而配备稠油井需要的离心泵级数。 地层、管线与电泵组成一个系统,由于井液粘度的影响,其管路特性曲线变的更加陡翘,使得泵在设计产量情况下所需要的扬程较高。 3.离心泵特性曲线的粘度校正 当离心泵输送粘度大于水的石油产品时,一般用输送水时的性能参数换算确定泵输送粘性流体时的性能。目前常采用前苏联国家石油机械研究设计院和美国水力学会的粘度换算图计算。根据两图各自采用的修正雷诺数,用修正雷诺数的常用对数作为自变量,把各换算系数看作雷诺数的函数,采用数理统计和回归方法做了公式化处理,将换算系数拟合成与各修正雷诺数的数学表达式。 根据稠油井液粘度值,将输清水时的特性曲线换算为输稠油时的特性曲线。由于经典曲线校正法及实际应用中系数法换算的局限性,需通过做试验,根据实际试验结果,作出校正曲线,尝试找出不同粘度下的对应换算关系。输送稠油时的油井产量,根据具体粘度值,具体泵的特性曲线换算为清水时的排量。在各种规格的离心泵特性曲线上,找出一种排量为最佳工况时的离心泵,作为稠油井选定的泵的排量规格。至此,离心泵、泵型、泵级数选定。 根据离心泵校正后的功率排量NQ曲线,以及泵的级数,再根据机组配备电机功率时的常规经验,确定所需电机功率。或者,根据校正后的扬程排量HQ曲线、效率排量ηQ曲线,得到校正后的扬程、排量、效率Hυ、Qυ、ηυ,然后根据公式计算所需电机功率。 粘度对离心泵性能的影响主要表现在H-Q曲线、η-Q特性曲线的下降以及N-Q特性曲线的上升。一般,当介质粘度比20度清水大10-20倍时,泵的特性曲线变化很小,粘度可以忽略不计;当介质粘度比20度清水大30-50倍时,H-Q特性曲线基本不变,但泵轴功率将增大;当介质粘度比20度清水大50倍以上时,则同一流量下的离心心泵的扬程和轴功率将发生很大的变化。因此,一般将粘度大于100mPas时,将对泵的特性曲线进行换算。 表1-1为国标制定的潜油离心泵在不同粘度下的换算系数。可以看出,普通离心泵在年度达到1000mPas时, 排量及扬程已经损失一半。表现在选井选泵上,泵的额定排量选择一般要远远大于生产设计的产量要求。 具体到离心泵的特性曲线换算,我们主要是采用推荐的输送粘性液体离心泵特性曲线的换算方法。计算公式为 第2章 电泵本身进行技术改造措施 1、采用宽流道叶导轮,加宽流道,减小液体阻力 离心泵输送粘性液体时,在叶轮流道内,切向粘滞力形成较厚的边界层,当粘度很大或叶轮流道狭窄时,这种边界层一直扩散到叶片中间,流体停止流动,形成流道堵塞现象,泵不出液。 通过对流体流动特性的分析研究,根据流体三元流动理论,设计最优叶片型线,入口角、出口角、包角、流道宽度等参数尺寸,使泵在抽吸稠油时不至发生流道堵塞现象,且在满足排量Q、扬程H的情况下,其效率最高。 为使稠油能顺利地通过离心泵流道,克服叶轮受稠油切向粘滞力的影响,不至于发生流道堵塞,采取加大叶轮出口宽度,增加其过流面积,使轴向过流面积比原来增加了约65。同时由于加宽了导叶轮流道宽度,在轴面流速不变的情况下,增加了液体的流量。宽流道导叶轮比常规导叶轮在粘性流体的方面的的性能可提高20～50。 2、减小离心泵轴径 为了使设计流量保持不变,必须保证过流面积也不发生变化,过流面积与流道宽度和液体质点的半径成正比,流道加宽,半径就要减小。过缩小轴径,减小叶轮入口的过流面积来达到要求。当然通过增加叶片数量和叶片厚度,也可减小叶轮过流面积。 3、切除上盖板切除,减小出口阻力 叶轮的形式有三种,第一种是封闭式,上下盖板都有,液体受的阻力大,一般抽吸洁净的液体,泵效较高;一种是半开式,只有下盖板,另一种是开式,上下盖板都没有,液体受的阻力小,一般抽浆状液体,泵效较低。考虑到泵效问题,此处设计的宽流道叶轮,采用切除一部分叶轮上盖板的方式,以减小出口阻力。 4、级高减短 在泵的排量、扬程、泵效各项指标都较理想的情况下,希望导叶轮的级高减短,一是可以缩短泵的长度,减小液体在泵内的各种损失,提高泵效,二是可以增加泵的稳定性,减少事故率,提高泵的使用寿命,三是降低泵的造价。 5、采用粉末冶金高强度叶导轮 叶导轮采用粉末冶金,耐压达45MPa以上,可满足最大扬程4500米设计井深,表面粗糙度达到1.6,其泵效及精度能满足高稠油状态。 6、 叶导轮表面为高强度耐磨不沾涂层 叶导轮表面为高强度耐磨不沾涂层,不沾涂层可进一步降低粘度大的流体附着性,高强度耐磨不沾涂层保证其使用寿命,同时对防垢、抗腐蚀有较好适应性。 7、 硬质塑性轴承和双止推垫片设计 通过在离心泵中每隔一定级数安装一副内镶硬质合金的防砂导壳与硬质合金轴套,形成高硬度、高耐磨的摩擦副结构,采用双止推垫片结构,可有效地改进泵内的径向磨损和轴向磨损。同时泵上、下接头内也安装硬质合金的耐磨轴承副,达到上、下轴头的扶正,保证潜油电泵的可靠运行;另外油气分离器内的扶正部位也都采用硬质合金材料的防砂摩擦副。[ 10-07-05 112300 ]作者李荣强编辑studa20 8、 采用双级沉降式保护器,保证稠油状态下的呼吸补偿 沉降式保护器,保证稠油状态下的呼吸补偿,双级配置可有效提高使用寿命。 第3章、电泵抽稠配套工艺技术 1、机械超声波防垢降粘装置 电泵井声波防垢降粘装置为机械式声波发生装置,主要由底座、叶轮、导轮、声波发生盘、轴、头部组成,底座与分离器联接,头部与泵联接,作为独立的一部分,无需改变潜油电泵机组各部分的设计。 流体经声波发生装置,通过叶导轮将流体加速后到达多孔声波发生盘,转子盘在分离器轴的带动下高速旋转,与定子盘产生相对运动,转子盘及定子盘上相对的每一个孔飞快地互相重合或不重合,从而在流体介质中产生脉冲振动,由此产生一定频率和强度的声波。当井液接近声波发生盘的斜孔时,其液体分子会产生周期性的相对运动,导致流体加速向声源流动,流体通过发生盘时,声波对流体中的胶质、蜡质分子进行剪切,而沿管道金属表面传播的声波引起盐垢微粒与金属表面之间发生振动破碎作用,声波在金属和流体中传播时的相速差阻碍了盐垢和蜡的形成,从而使流体在进入离心泵之前达到进行防垢降粘处理的效果。 2、电机底端取电的电泵井下电加热装置 降粘最好的方法是加热,目前成熟可靠的电泵井下电加热装置,在潜油电机底端从电机的星点取电,而无需单独的供电线路从电机-大扁电缆取电,对井液进一步加温降粘。 电泵井下电加热装置采用了电阻器加热机理,目的是配合潜油电泵开采300～2000mPa.s的低稠油,井下加热器装置与潜油电机的电源来自一条电缆。其核心部分电热膜加热管通电发热,加热流经该装置的井液,实现井液降粘防结蜡的目的。 井下电加热装置与专用单节电机配套,在电机底部联结加热装置,两者并联工作。电加热器电源来自电缆引线与电磁线联接处,三相线分别从定子冲片的假线孔中直接穿过直到电机底部。其核心部分电热膜加热管通电发热,加热流经该装置的井液,实现井液降粘工作原理是靠电流流过电阻后,电阻产生欧姆热加热介质,这也是目前技术较成熟、应用最广的电加热方式。对不同的油井井液粘度、温度、排量等井况,选用潜油电泵机组配套的电加热装置,有关设计计算主要是电加热器的放热、温升计算,即电加热器的功率计算。 3、 7“及以上套管可加装导流罩 7“及以上套管可加装导流罩,导流罩的使液体必须流经电机表面,一方面把电机产生的液量带走,另一方面可对井液集中加温,同时可优化掺稀生产,设计使用高强度电泵联接,导流罩最大长度可达到600米。 4、 地面变频控制系统采用成熟的低压变频控制系统 低压变频控制系统的最大特点就是成熟可靠,对电缆的拖带长度无限制,而高压或中压变频受高压电容技术不过关的影响对高次谐波的影响无法有效地消除,低压变频的高-低-高模式是升压变压器后置,而变压器本身就是最好的滤波器。国外及国内大多油田目前基本都抛弃了高压、中压变频,由于高压、中压变频结构紧凑、占地面积小,目前基本只有在海上油田使用。 5、 物理降粘旁管掺稀、环套掺稀或油管内下空心抽油杆掺稀 旁管掺稀管柱工艺图如左图所示 潜油电泵旁管加注石脑油稀释系统是针对高黏度原油特点而研制开发的,在国外油田的稠油开采中为最主要的掺稀方式。主要包括潜油电泵机组系统、地面注入系统。其原理是利用地面离心泵将轻质油加压通过软油管注入到潜油电泵的底部的筛管内,由于压力的作用,可使轻质油与井液充分的混合,最大限度的发挥轻质油的降粘作用,改善泵的入口性能,降低井筒的井液粘度。该系统适用于原油黏度超过潜油泵入口位置井液粘度超过5000mPas的油井潜油电泵生产。目前本系统于在委内瑞拉63口油井应用效果较好,系统装置配件成熟齐全。 因套管尺寸受限对于95/8“以下的套管采用环套掺稀方式或油管内下空心抽油杆掺稀方式以防止冷采过程中的油管堵塞,但这两种掺稀方式只能防止冷采过程中的油管堵塞问题,对稠油入泵无有效地帮助,为解决国内大量小套管的旁管掺稀,需要研制95/8“以下的套管的旁管掺稀方式。 第4章 电泵深抽适应性技术改进 潜油电泵深抽的目的是使电泵在高温、高压段工作,此时稠油具有良好的流动性,同时深抽可有效地放大生产压差,提高产量,目前国内电泵已经达到3800m排量150m3/d,在排量120 m3/d以下范围,最大扬程可达到4200米,深抽电泵在目前电泵系统应用技术成熟的基础上对电机的起动性能、保护器的承载能力、离心泵的强度和泵轴制动功率等方面进行了综合改进,使潜油电泵满足超深油井中运行的可靠性和稳定性。 1、 耐高温机组 由于潜油电机安装在井下4200m,井下温度很高超过150℃,对于电机和电缆的耐温等级要求很高,考虑到电机的温升,这就要求井下电泵机组能够承受180℃温度环境下长期运转。 潜油电机、潜油电缆以及井下机组设备的绝缘和密封件采用耐高温材料制造。电机润滑油采用高温电机油,在180℃及以下工况下,具有良好的绝缘性和润滑性。机械转动件的配合间隙应满足180℃工况的需要。 2、 大扭矩潜油电机 由于电缆长度达到4200m以上,电阻增大,在电机启动的瞬间,电流很大,导致电缆的压降也很大,这就会造成加在电机绕组上的电压大大小于电磁绕组正常设计所需的励磁电压,从而导致电机启动困难。这种情况在电泵下深正常的油井中是不存在的,这就需要对电机的启动性能重新考虑设计,改变电机的电磁设计参数,增大电机的启动转矩。同时应采取的措施包括采用变频控制柜改变电机启动频率;对地面控制电参数进行合理调整。 3、 高承载保护器 对于下泵深度为4200m的电泵机组,考虑到电泵运转过程中的过载、憋泵及井口回压等因素,泵排出口极限压力为45MPa。作用在保护器止推轴承上的载荷远大于普通保护器止推轴承的承载能力。采用高承载保护器来承受高扬程离心泵所产生的高轴向载荷。 4、 加强型潜油电泵机组 由于机组下泵深度高达4200m,考虑到憋压和井口回压,离心泵产生的最大压头为45MPa。常规潜油电泵机组连接强度、泵轴的强度和壳体耐压强度无法满足要求。因此应对泵壳体和头座单独进行设计。解决方案1、泵轴采用高强度合金材料制造。2、考虑到泵排出口压力、电泵机组重量、尾管柱重量,机组连接采用高强度螺栓。3、采用特殊结构设计,使壳体螺纹不承受离心泵产生的高内压。4、选用耐高压泵壳。 [ 10-07-05 112300 ]作者李荣强编辑studa20 8、 采用双级沉降式保护器,保证稠油状态下的呼吸补偿 沉降式保护器,保证稠油状态下的呼吸补偿,双级配置可有效提高使用寿命。 第3章、电泵抽稠配套工艺技术 1、机械超声波防垢降粘装置 电泵井声波防垢降粘装置为机械式声波发生装置,主要由底座、叶轮、导轮、声波发生盘、轴、头部组成,底座与分离器联接,头部与泵联接,作为独立的一部分,无需改变潜油电泵机组各部分的设计。 流体经声波发生装置,通过叶导轮将流体加速后到达多孔声波发生盘,转子盘在分离器轴的带动下高速旋转,与定子盘产生相对运动,转子盘及定子盘上相对的每一个孔飞快地互相重合或不重合,从而在流体介质中产生脉冲振动,由此产生一定频率和强度的声波。当井液接近声波发生盘的斜孔时,其液体分子会产生周期性的相对运动,导致流体加速向声源流动,流体通过发生盘时,声波对流体中的胶质、蜡质分子进行剪切,而沿管道金属表面传播的声波引起盐垢微粒与金属表面之间发生振动破碎作用,声波在金属和流体中传播时的相速差阻碍了盐垢和蜡的形成,从而使流体在进入离心泵之前达到进行防垢降粘处理的效果。 2、电机底端取电的电泵井下电加热装置 降粘最好的方法是加热,目前成熟可靠的电泵井下电加热装置,在潜油电机底端从电机的星点取电,而无需单独的供电线路从电机-大扁电缆取电,对井液进一步加温降粘。 电泵井下电加热装置采用了电阻器加热机理,目的是配合潜油电泵开采300～2000mPa.s的低稠油,井下加热器装置与潜油电机的电源来自一条电缆。其核心部分电热膜加热管通电发热,加热流经该装置的井液,实现井液降粘防结蜡的目的。 井下电加热装置与专用单节电机配套,在电机底部联结加热装置,两者并联工作。电加热器电源来自电缆引线与电磁线联接处,三相线分别从定子冲片的假线孔中直接穿过直到电机底部。其核心部分电热膜加热管通电发热,加热流经该装置的井液,实现井液降粘工作原理是靠电流流过电阻后,电阻产生欧姆热加热介质,这也是目前技术较成熟、应用最广的电加热方式。对不同的油井井液粘度、温度、排量等井况,选用潜油电泵机组配套的电加热装置,有关设计计算主要是电加热器的放热、温升计算,即电加热器的功率计算。 3、 7“及以上套管可加装导流罩 7“及以上套管可加装导流罩,导流罩的使液体必须流经电机表面,一方面把电机产生的液量带走,另一方面可对井液集中加温,同时可优化掺稀生产,设计使用高强度电泵联接,导流罩最大长度可达到600米。 4、 地面变频控制系统采用成熟的低压变频控制系统 低压变频控制系统的最大特点就是成熟可靠,对电缆的拖带长度无限制,而高压或中压变频受高压电容技术不过关的影响对高次谐波的影响无法有效地消除,低压变频的高-低-高模式是升压变压器后置,而变压器本身就是最好的滤波器。国外及国内大多油田目前基本都抛弃了高压、中压变频,由于高压、中压变频结构紧凑、占地面积小,目前基本只有在海上油田使用。 5、 物理降粘旁管掺稀、环套掺稀或油管内下空心抽油杆掺稀 旁管掺稀管柱工艺图如左图所示 潜油电泵旁管加注石脑油稀释系统是针对高黏度原油特点而研制开发的,在国外油田的稠油开采中为最主要的掺稀方式。主要包括潜油电泵机组系统、地面注入系统。其原理是利用地面离心泵将轻质油加压通过软油管注入到潜油电泵的底部的筛管内,由于压力的作用,可使轻质油与井液充分的混合,最大限度的发挥轻质油的降粘作用,改善泵的入口性能,降低井筒的井液粘度。该系统适用于原油黏度超过潜油泵入口位置井液粘度超过5000mPas的油井潜油电泵生产。目前本系统于在委内瑞拉63口油井应用效果较好,系统装置配件成熟齐全。 因套管尺寸受限对于95/8“以下的套管采用环套掺稀方式或油管内下空心抽油杆掺稀方式以防止冷采过程中的油管堵塞,但这两种掺稀方式只能防止冷采过程中的油管堵塞问题,对稠油入泵无有效地帮助,为解决国内大量小套管的旁管掺稀,需要研制95/8“以下的套管的旁管掺稀方式。 第4章 电泵深抽适应性技术改进 潜油电泵深抽的目的是使电泵在高温、高压段工作,此时稠油具有良好的流动性,同时深抽可有效地放大生产压差,提高产量,目前国内电泵已经达到3800m排量150m3/d,在排量120 m3/d以下范围,最大扬程可达到4200米,深抽电泵在目前电泵系统应用技术成熟的基础上对电机的起动性能、保护器的承载能力、离心泵的强度和泵轴制动功率等方面进行了综合改进,使潜油电泵满足超深油井中运行的可靠性和稳定性。 1、 耐高温机组 由于潜油电机安装在井下4200m,井下温度很高超过150℃,对于电机和电缆的耐温等级要求很高,考虑到电机的温升,这就要求井下电泵机组能够承受180℃温度环境下长期运转。 潜油电机、潜油电缆以及井下机组设备的绝缘和密封件采用耐高温材料制造。电机润滑油采用高温电机油,在180℃及以下工况下,具有良好的绝缘性和润滑性。机械转动件的配合间隙应满足180℃工况的需要。 2、 大扭矩潜油电机 由于电缆长度达到4200m以上,电阻增大,在电机启动的瞬间,电流很大,导致电缆的压降也很大,这就会造成加在电机绕组上的电压大大小于电磁绕组正常设计所需的励磁电压,从而导致电机启动困难。这种情况在电泵下深正常的油井中是不存在的,这就需要对电机的启动性能重新考虑设计,改变电机的电磁设计参数,增大电机的启动转矩。同时应采取的措施包括采用变频控制柜改变电机启动频率;对地面控制电参数进行合理调整。 3、 高承载保护器 对于下泵深度为4200m的电泵机组,考虑到电泵运转过程中的过载、憋泵及井口回压等因素,泵排出口极限压力为45MPa。作用在保护器止推轴承上的载荷远大于普通保护器止推轴承的承载能力。采用高承载保护器来承受高扬程离心泵所产生的高轴向载荷。 4、 加强型潜油电泵机组 由于机组下泵深度高达4200m,考虑到憋压和井口回压,离心泵产生的最大压头为45MPa。常规潜油电泵机组连接强度、泵轴的强度和壳体耐压强度无法满足要求。因此应对泵壳体和头座单独进行设计。解决方案1、泵轴采用高强度合金材料制造。2、考虑到泵排出口压力、电泵机组重量、尾管柱重量,机组连接采用高强度螺栓。3、采用特殊结构设计,使壳体螺纹不承受离心泵产生的高内压。4、选用耐高压泵壳。